基于FPGA實(shí)現(xiàn)NVME控制器

NVME

NVM Express ( NVMe ) 或 Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification( NVMHCIS ) 是一種開(kāi)放式邏輯設(shè)備接口規(guī)范，用于訪問(wèn)通過(guò)PCI Express總線連接的計(jì)算機(jī)非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)。NVM 的縮寫(xiě)代表非易失性存儲(chǔ)器，通常是 NAND 閃存，具有多種物理外形，包括固態(tài)驅(qū)動(dòng)器(SSD)、PCIe 附加卡和M.2（ mSATA的后繼者 ）。

從架構(gòu)上講，NVMe 邏輯物理存儲(chǔ)在 NVMe 控制器芯片內(nèi)并由該芯片執(zhí)行，該芯片與存儲(chǔ)介質(zhì)（通常是 SSD）物理位于同一位置。NVMe 的版本更改（例如 1.3 到 1.4）已合并到存儲(chǔ)介質(zhì)中，并且不會(huì)影響主板、CPU 等 PCIe 借口兼容組件。

SATA和NVME外形區(qū)別 圖片來(lái)源：金士頓官網(wǎng)

FPGA實(shí)現(xiàn)NVME

NVMe協(xié)議基于PCIe協(xié)議之上實(shí)現(xiàn)NVMe Host與NVMe SSD之間高速數(shù)據(jù)通信。FPGA實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單架構(gòu)如下：

FPGA實(shí)現(xiàn)NVME控制（圖片來(lái)源見(jiàn)水?。?/p>

下面介紹幾個(gè)NVME協(xié)議的實(shí)現(xiàn)的開(kāi)源項(xiàng)目。

OpenSSD+nvme storage

介紹

OpenSSD的發(fā)展歷史如下：

nvme_comp_storage項(xiàng)目是基于OpenSSD的存儲(chǔ)系統(tǒng)，詳細(xì)的架構(gòu)如下：

兩個(gè)項(xiàng)目都有異常詳細(xì)的文檔介紹，鏈接如下：

其中OpenSSD是有官方網(wǎng)址的，截止發(fā)文前，官網(wǎng)訪問(wèn)受限~

antmicro for nvme

該項(xiàng)目和上面項(xiàng)目類似，唯一的區(qū)別就是該項(xiàng)目從底層PCIe到頂層所有的代碼都是自己寫(xiě)的（在PCIe項(xiàng)目中有介紹），不想借助官方IP的項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目很具有借鑒意義。

該項(xiàng)目介紹的非常項(xiàng)目，就不贅述了。

NVMe

介紹

本項(xiàng)目基于AMD-XILINX FPGA XDMA的NVME控制器，詳細(xì)的文件架構(gòu)如下：

NVMe/
├──hw/(RTLcodes)
│├──COMSTRAINTS/(Constraints:Boardconnections)
│├──IP/(IPs:ILA,XDMAIP,Boarddesign)
│├──RTL/(NVMeHardwareDriverRTLcodes)
│├──scripts/
│├──SIM/
│└──SYNTH/(NVMeHardwareDriverProjectdirectories)
├──sw/(NVMesuFileLibrary)
├──SIM/
├──README.md
├──LICENSE
└──CMakeLists.txt

具有硬件加速功能的 NVMe 控制器

介紹

NVMeCHA 是一款超低延遲和高吞吐量的 NVMe 控制器，具有高度并行、流水線和可擴(kuò)展的架構(gòu)，具有一個(gè)管理控制器和多個(gè)完全硬件自動(dòng)化的 I/O 控制器。管理控制器采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，其中 NVMe 管理命令的復(fù)雜處理由軟件管理，而 PCIe 上的數(shù)據(jù)傳輸由硬件處理。這種混合架構(gòu)結(jié)合了軟件靈活性和硬件效率，減少了 CPU 資源并提高性能。I/O控制器采用高度并行和流水線的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)，允許并行處理許多NVMe I/O命令，而無(wú)需任何軟件干預(yù)。每個(gè)I/O控制器對(duì)應(yīng)一個(gè)NVMe I/O隊(duì)列對(duì)。

該項(xiàng)目在 Xilinx KCU105 FPGA 板上進(jìn)行驗(yàn)證，該板通過(guò) PCIe gen3 x8 接口連接到計(jì)算機(jī)。通過(guò)SPDK-Perf基準(zhǔn)測(cè)試工具進(jìn)行評(píng)估，該NVMe控制器的最大讀寫(xiě)帶寬均可達(dá)到7.0GB/s，占理論P(yáng)CIe帶寬的89%。最大4KB大小的讀/寫(xiě)吞吐量可以達(dá)到每秒170萬(wàn)次I/O操作（MIOPS）。4KB大小的平均讀/寫(xiě)延遲僅為2.4μs/3.2μs。

該項(xiàng)目也進(jìn)行論文發(fā)表： IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems，doi：10.1109/TCAD.2021.3088784。

pl-nvme

介紹

這個(gè)項(xiàng)目也和上面項(xiàng)目類似，不過(guò)性能沒(méi)有上面的架構(gòu)強(qiáng)。

該項(xiàng)目包含 Dune NvmeStorage 系統(tǒng)的源代碼以及簡(jiǎn)單的NVMe測(cè)試環(huán)境，允許使用低級(jí)Xilinx FPGA進(jìn)行接口驗(yàn)證。

包含F(xiàn)PGA源代碼、仿真環(huán)境或 Nvme 測(cè)試 FPGA 固件以及 nvme_test 主機(jī)軟件。

總結(jié)

NVME部分因?yàn)榛竞虵PGA PCIe息息相關(guān)，所以基本和PCIe項(xiàng)目同時(shí)出現(xiàn)，對(duì)于想從底層開(kāi)始實(shí)現(xiàn)的，強(qiáng)烈建議 antmicro 項(xiàng)目。

最后，還是感謝各個(gè)大佬開(kāi)源的項(xiàng)目，讓我們受益匪淺。后面有什么感興趣方面的項(xiàng)目，大家可以在后臺(tái)留言或者加微信留言，今天就到這，我是爆肝的碎碎思，期待下期文章與你相見(jiàn)。

審核編輯：湯梓紅